低溫加壓條件下 EVA手套的力量分析

劉何慶 丁 立 袁修干 李 晶

(北京航空航天大學(xué) 生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院,北京 100191)

低溫加壓條件下 EVA手套的力量分析

劉何慶 丁 立 袁修干 李 晶

(北京航空航天大學(xué) 生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院,北京 100191)

為了研究航天員艙外活動(dòng)時(shí)的手套壓力和太空低溫復(fù)合效應(yīng)對(duì)操作力量的影響,選取最大握力和握力疲勞兩個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)手動(dòng)作業(yè)力量,其中握力疲勞采用做功能力評(píng)價(jià).操作力量抓握試驗(yàn)所需的不同溫度和壓力是通過(guò)在低溫模擬艙中利用液氮降溫以及真空泵抽氣實(shí)現(xiàn).結(jié)果表明:戴手套對(duì)最大握力和握力疲勞的影響都非常顯著;與常溫常壓戴手套相比,壓力(29.6kPa,39.2kPa)單獨(dú)作用對(duì)最大握力的影響顯著,低溫單獨(dú)作用對(duì)最大握力的影響并不顯著,而二者對(duì)握力疲勞的影響都非常顯著;在加壓和低溫復(fù)合作用下,最大握力和握力疲勞會(huì)進(jìn)一步受到顯著影響.可見手套壓力和太空低溫復(fù)合效應(yīng)嚴(yán)重降低了航天員手部力量的發(fā)揮,航天員艙外作業(yè)人-手套系統(tǒng)的研究需考慮復(fù)合因素的影響.

艙外活動(dòng);手套;低溫;壓力;力量

航天員在艙外活動(dòng)(EVA,Extravehicular Activity)時(shí)的作業(yè)是在大腦調(diào)節(jié)控制之下,通過(guò)上肢、手部關(guān)節(jié)與肌肉產(chǎn)生的力量和手各部分協(xié)調(diào)動(dòng)作而實(shí)現(xiàn)的,操作能力取決于這二者整合之力[1].但在實(shí)際操作過(guò)程中,受到手套結(jié)構(gòu)、手套壓力、環(huán)境低溫等多種因素的作用,并產(chǎn)生各類復(fù)合效應(yīng),嚴(yán)重干擾或降低操作效率[2].文獻(xiàn)上已有大量相關(guān)報(bào)道,但僅限于單一因素(手套結(jié)構(gòu)、手套壓力、溫度和手柄等)對(duì)力量等影響的研究[3-5].基于航天員在艙外作業(yè)是在多種環(huán)境因素同時(shí)存在的條件下進(jìn)行的,而目前又欠缺對(duì)較為重要的手套加壓和低溫雙因素復(fù)合效應(yīng)的研究,特開展本課題的研究.結(jié)合天上的實(shí)際情況,并采用能夠反映該雙因素復(fù)合效應(yīng)的最佳反應(yīng)指標(biāo)(最大握力和疲勞),通過(guò)這 2個(gè)指標(biāo)的改變,闡明航天員戴加壓手套在低溫環(huán)境的力量和操作效率的改變.本文結(jié)果可為航天員艙外作業(yè)人-手套系統(tǒng)力量的研究、評(píng)價(jià)和方案的制定提供新的科學(xué)依據(jù).

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)人員

本試驗(yàn)的受試者選定為 10名在校的大學(xué)生志愿者,男性,年齡為 23～26歲,均為右利手.

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

1)力量.根據(jù)手的用力方式,手動(dòng)作業(yè)中出現(xiàn)的手部力量主要可分為:握力、捏力和擰力.根據(jù)手動(dòng)作業(yè)的工效評(píng)價(jià)體系最佳指標(biāo)[6],本文選取握力來(lái)進(jìn)行試驗(yàn).

2)疲勞.疲勞是肌肉活動(dòng)過(guò)度,力量減弱在大腦產(chǎn)生的反應(yīng).疲勞與作業(yè)力量和時(shí)間直接相關(guān),即與輸出功有關(guān).同樣根據(jù)手動(dòng)作業(yè)的工效評(píng)價(jià)體系最佳指標(biāo),本文選取握力疲勞進(jìn)行試驗(yàn).

1.3 試驗(yàn)組設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)是基于壓力和低溫復(fù)合因素下對(duì)艙外航天手套的力量進(jìn)行研究,試驗(yàn)組設(shè)計(jì)如表 1所示.

表 1 試驗(yàn)組設(shè)計(jì)

1.4 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備分為握力采集系統(tǒng)、溫度采集系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)以及加壓系統(tǒng) 4個(gè)部分.

握力采集系統(tǒng)包括握力器、感知?jiǎng)討B(tài)握力儀和基于 MCGS(Monitor and Control Generated System)軟件平臺(tái)開發(fā)的握力采集工程模塊,其功能為采集、實(shí)時(shí)顯示并記錄握力值.測(cè)試精度為0.1kg.

溫度采集系統(tǒng)包括溫度傳感器(鉑電阻 PT-100),巡檢儀(昌暉)和基于組態(tài)王軟件平臺(tái)開發(fā)的溫度數(shù)據(jù)采集模塊,其功能為采集、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄各測(cè)溫點(diǎn)的溫度值.測(cè)試精度為 0.1℃.

制冷系統(tǒng)包括杜瓦瓶、恒溫罐和低溫艙,其功能為實(shí)現(xiàn)抓握桿或低溫艙的不同低溫條件.抓握桿控制精度為 3℃,試驗(yàn)艙控制精度為 1℃.

加壓系統(tǒng)包括真空泵和壓阻真空計(jì),其功能為通過(guò)真空泵抽取低溫艙內(nèi)空氣來(lái)實(shí)現(xiàn)手套內(nèi)外壓差.系統(tǒng)的壓力控制精度為 1 kPa.

1.5 試驗(yàn)方法

1)握力.受試者以最大力抓握握力器 3次,中間間隔 1min,取平均值作為受試者的最大握力Fmax.接下來(lái)進(jìn)行握力疲勞試驗(yàn).

2)握力疲勞.采用無(wú)因次疲勞測(cè)試方法,受試者以 5次/30s頻率握緊和放松握力器進(jìn)行 30s的動(dòng)態(tài)試驗(yàn),每次握緊時(shí)采用最大握力抓握.然后始終用力握緊握力器,維持其最大握力 Fmax的20%持續(xù) 10 s.重復(fù)試驗(yàn),直至在動(dòng)態(tài)抓握時(shí),5次握力值有 2次或者 2次以上小于最大握力 Fmax的50%時(shí),或當(dāng)溫度監(jiān)測(cè)任意指尖溫度小于 8℃時(shí),停止試驗(yàn).

每組試驗(yàn)工況之間受試者要休息 3 d,以使疲勞的肌肉得到恢復(fù).

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 最大握力

對(duì)最大握力的處理是將每種情況下 10名受試者的最大力 Fmax求均值加以比較.計(jì)算發(fā)現(xiàn),與裸手相比戴手套后最大握力下降非常明顯(顯著性 p＜0.01),平均下降 37%(見圖 1),這與文獻(xiàn)[3]的 35%以及文獻(xiàn)[7]的 39%的結(jié)論基本一致.以下是戴手套后不同試驗(yàn)組之間最大握力的比較.

2.1.1 壓力對(duì)最大握力的影響

由圖 1可知與常溫常壓戴手套相比常溫加壓戴手套對(duì)最大握力有一定的影響,其中 22.1 kPa的壓力對(duì)最大握力下降影響不明顯(p＞0.05);29.6 kPa和 39.2 kPa對(duì)最大握力下降影響顯著(p＜0.05),平均下降 11.4%,與裸手相比平均下降 43%,與文獻(xiàn)[3]的 47%基本一致.但幾個(gè)壓力水平之間最大握力差異并不顯著(p＞0.05).握力下降主要是由于手套受到壓力作用時(shí),會(huì)處于膨脹狀態(tài),握力彎曲時(shí)就會(huì)使手套褶皺處產(chǎn)生與作業(yè)方向相反的阻力,影響手動(dòng)作業(yè)力量.但又由于最大握力的時(shí)間很短,因此,不同壓力水平之間的差異并不顯著,這與文獻(xiàn)[4]的研究結(jié)果是一致的.

圖1 裸手及戴手套常溫的最大握力比較

2.1.2 低溫對(duì)最大握力的影響

由圖 2可知,與常溫常壓戴手套相比常壓戴手套抓握低溫物體會(huì)導(dǎo)致最大握力有所下降但減小幅度不大,低溫對(duì)最大握力影響不顯著(p＞0.05).這是由于最大握力是在短時(shí)間內(nèi)抓握測(cè)得的,盡管抓握桿的溫度很低,但溫度的影響有限.因此 -50℃,-90℃,-110℃,-130℃幾個(gè)溫度水平之間握力差異也不顯著(p＞0.05),而目前國(guó)外還未見相關(guān)研究.

圖2 戴手套常壓抓握低溫物體最大握力比較

2.1.3 壓力和低溫復(fù)合因素對(duì)最大握力的影響

在戴手套加壓和低溫復(fù)合因素的作用下(見圖 3),與常溫常壓戴手套相比加壓低溫戴手套時(shí)最大握力下降較大,平均下降 20.4%,影響水平非常顯著(p＜0.01),但幾個(gè)加壓低溫復(fù)合因素之間最大握力差異并不顯著(p＞0.05).在低溫環(huán)境抓握低溫物體時(shí),最大握力下降也很明顯,這種試驗(yàn)環(huán)境最接近出艙作業(yè)的實(shí)際情況,但目前還未見相關(guān)報(bào)道.

2.2 握力疲勞

2.2.1 握力疲勞數(shù)據(jù)處理方法比較

圖3 復(fù)合因素下的最大握力比較

鑒于目前對(duì)艙外航天服手套握力疲勞的認(rèn)定仍沒(méi)有一個(gè)有效的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),本文在已有研究基礎(chǔ)上對(duì)疲勞的處理方法進(jìn)行了進(jìn)一步的探索與改進(jìn)[6],采用抓握過(guò)程中所做的功對(duì)疲勞進(jìn)行數(shù)據(jù)處理研究.

試驗(yàn)中握力采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)采集頻率為5次/s,與握力變化相比,可認(rèn)為握力器在采集時(shí)間內(nèi)受到的力恒定,因此應(yīng)變片發(fā)生的應(yīng)變 s也恒定.

式中,e為握力器中應(yīng)變片的應(yīng)變率,N/m;sn為在第 n個(gè) 0.2 s內(nèi)應(yīng)變片的應(yīng)變量,m;Fn為握力采集系統(tǒng)采集到的第 n個(gè)握力值,N.那么握力在每個(gè)采集時(shí)間內(nèi)做的功為

式中,Wn為在第 n個(gè) 0.2 s內(nèi)所做的功,N·m.

從而

由式(3)可知,做功量與握力器中應(yīng)變片的 e以及握力采集系統(tǒng)采集到的握力值有關(guān).為消除應(yīng)變片的 e的影響,本文以常溫常壓戴手套為參照對(duì)各試驗(yàn)組數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸一化處理,這樣做功相對(duì)值只與握力值有關(guān).

圖4所示是對(duì)疲勞處理方法的一個(gè)對(duì)比,可以看到采用握力曲線與橫坐標(biāo)圍成的面積即沖量來(lái)評(píng)價(jià)疲勞與主觀的感受差異較大,而采用做功來(lái)評(píng)價(jià)疲勞與主觀的感受一致性較好,力的物理概念也更合理.主觀疲勞感受值的計(jì)算方法參見文獻(xiàn)[6].

通過(guò)計(jì)算做功發(fā)現(xiàn),戴手套對(duì)疲勞的影響非常顯著(p＜0.01),與裸手相比平均下降 37%,略低于文獻(xiàn)[3]的 46%.這是由于戴手套使握力值顯著下降,進(jìn)而導(dǎo)致做功能力下降.以下是戴手套后不同試驗(yàn)組之間握力疲勞的比較.

2.2.2 壓力對(duì)握力疲勞的影響

圖4 處理方法的比較

由圖 5可知與常溫常壓戴手套相比常溫加壓戴手套對(duì)疲勞的影響非常顯著(p＜0.01),平均下降 31.8%,與裸手相比平均下降 57%,與文獻(xiàn)[3]的 59%一致.但 22.1 kPa,29.6 kPa和39.2 kPa幾個(gè)壓力水平之間的差異并不顯著(p＞0.05).這主要是因?yàn)槭痔状嬖诘膲毫σ鸬姆醋饔昧Τ掷m(xù)對(duì)握力的影響,減少了手部疲勞的耐受時(shí)間,從而導(dǎo)致做功能力下降,但不同壓力之間導(dǎo)致的反作用力差異不大.

圖5 戴手套常溫的做功比較

2.2.3 低溫對(duì)握力疲勞的影響

由圖 6可知與常溫常壓戴手套相比常壓戴手套抓握低溫物體對(duì)疲勞的影響非常顯著(p＜0.01),平均下降 46.8%,但 -50℃,-90℃,-110℃,-130℃幾個(gè)溫度水平之間的差異并不顯著(p＞0.05),與主觀的感受一致性較好.這是由于抓握的低溫物體溫度很低,導(dǎo)致手部因?yàn)槔涠鹱ノ昭h(huán)次數(shù)明顯減少,從而導(dǎo)致做功的顯著下降.

圖6 戴手套常壓抓握低溫物體的做功比較

2.2.4 壓力和低溫復(fù)合因素對(duì)握力疲勞的影響

由圖 7可知在加壓低溫復(fù)合因素的作用下,手部的做功能力下降很大,平均下降 65.7%(p＜0.01).但幾個(gè)加壓低溫復(fù)合因素之間做功能力下降較為緩慢,并不顯著(p＞0.05).而對(duì)于更惡劣的環(huán)境和抓握物體都是低溫的情況,做功下降非常明顯(p＜0.01),僅僅環(huán)境溫度是 -50℃,做功能力就下降了 79%.對(duì)于更低的溫度,受試者都因手套冷而無(wú)法有效完成疲勞測(cè)試.這是因?yàn)榄h(huán)境也是低溫時(shí),整個(gè)手套處于低溫環(huán)境中,使整個(gè)手都很冷,溫度耐受時(shí)間驟減,循環(huán)抓握次數(shù)顯著減少,從而導(dǎo)致做功的顯著下降.

圖7 復(fù)合因素下的做功比較

可以看到對(duì)比壓力和低溫作為單因素對(duì)握力疲勞的影響,在加壓低溫復(fù)合因素的作用下握力疲勞會(huì)非常顯著地進(jìn)一步降低,但復(fù)合因素的影響又不是簡(jiǎn)單的單因素疊加.

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)復(fù)合因素(低溫、壓力)條件下艙外航天手套的最大握力和握力疲勞的系統(tǒng)研究,可得到以下結(jié)論:

1)同單因素作用相比,在壓力和低溫復(fù)合因素作用下,最大握力下降非常明顯.

2)戴手套、壓力和低溫作為單因素對(duì)握力疲勞的影響都非常顯著,在壓力和低溫的復(fù)合因素作用下,疲勞會(huì)非常顯著地進(jìn)一步降低,并呈現(xiàn)隨溫度降低而降低的趨勢(shì).

本文較真實(shí)地模擬了航天員艙外作業(yè)情況,并運(yùn)用人-手套系統(tǒng)操作的理念開展了對(duì)復(fù)合因素的研究,類似研究未見相關(guān)報(bào)道,有實(shí)用價(jià)值.

致 謝賈司光老師對(duì)本課題的研究給予了很大的幫助,在此表示衷心的感謝.

References)

[1]賈司光.艙外航天服研制的學(xué)科基礎(chǔ)[M].北京:航天醫(yī)學(xué)工程研究所,2003:29-35 Jia Siguang.Discipline-based for the developmentof the extravehicular activity space suit[M].Beijing:Institute of Space Medico-Engineering,2003:29-35(in Chinese)

[2]丁立,楊鋒,楊春信,等.艙外航天服手套的工效問(wèn)題[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2005,31(4):416-420 Ding Li,Yang Feng,Yang Chunxin,et al.Ergonomics implications of extravehicular activity spacesuit glove[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2005,31(4):416-420(in Chinese)

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[7]Pelton M.The effects of extravehicular activity gloves on human hand performance[D].College Park:Department of Aerospace Engineering,University of Maryland,College Park,2000

(編 輯 :張 嶸)

EVA glove strength under low temperature and pressure

Liu Heqing Ding Li Yuan Xiugan Li Jing

(School of Biological Science and Medical Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

In order to study the effects of combined stress of glove pressure and low temperature on astronaut operation strength during extravehicul aractivity(EVA),the maximum grip strength and grip fatigue were selected as two indicators to evaluate the strength of manual performance.Fatigue was evaluated by the work done in grip test.The low-temperature and pressured experimental conditions in the grip test were simulated in the low-temperature simulation cabin using the liquid nitrogen and the vacuum pump.The results indicate that wearing glove has very significant effect on the maximum grip strength and grip fatigue.Pressure(29.6 kPa,39.2 kPa)has significant influence on the maximum grip strength compared with wearing glove under normal temperature and pressure.Low temperature has nosignific ant influence on the maximum grip strength.However,pressure and low temperature have particularly significant influence on grip fatigue.Under the combined stress of both pressure and low temperature,the maximum grip strength and grip fatigue will be further influenced significantly.The combined stress of pressure and low temperature in space seriously reduces the strength of the astronauts.The effects of combined stresses should be considered in researches of the man-glove system during extravehicular operations.

extravehicular activity;glove;low temperature;pressure;strength

V 444.3+91

A

1001-5965(2010)11-1311-04

2009-10-20

劉何慶(1983-),男,河北保定人,碩士生,liuheqing-2000@163.com.